[发明专利]包括用储氧材料促进的氨-SCR催化剂的排气后处理系统

说明书

技术领域

本公开的技术领域大体上涉及平均而言燃烧空气和燃料的化学计量混合物的发动机的排气后处理系统。该排气后处理系统包括三效催化剂（TWC）和位于TWC下游的氨-选择性催化还原（氨-SCR）催化剂。该氨-SCR催化剂包括（1）贱金属离子-取代沸石（base metal ion-substituted zeolite）和/或贱金属离子-取代硅铝磷酸盐（base metal ion-substituted silicoaluminophosphate）和（2）表现出氧储存和释放能力的选自金属氧化物或混合金属氧化物的储氧材料（oxygen storage material）。TWC和氨-SCR催化剂的连续布置提高发动机产生的低氧含量排气流中NO_X向N₂的转化。

发明背景

燃烧空气和石油基（petrol-based）燃料的混合物的发动机供能的车辆通常配备排气后处理系统以减少发动机排气流中所含的不想要的气体排放物的量。想要除去的主要排放物包括一氧化碳、未燃和部分燃烧的烃（HC）和主要由NO和NO₂以及标称量的N₂O构成的氮氧化物（NO_X）。排气流中这些排放物的浓度响应送入发动机的空气和燃料的混合物中的组成变化不断波动。停停走走的交通和频繁加速减速的严酷性例如使空气/燃料混合物的空气/燃料质量比不断地在预定目标值上下摆动。

该排气后处理系统划定从发动机到尾管口的封闭通道（contained passageway）以将排气流导离发动机并最终导向大气。该通道将排气流引导经过能将浓度不断改变的不想要的气体排放物转化成更无害物质的一个或多个特别催化的流通型组分。所用的排气后处理系统和催化剂的特定构造基本取决于空气/燃料混合物的空气/燃料质量比的正常预期工作范围（即该空气和燃料的混合物是化学计量的、贫燃料的还是富燃料的）。这些系统致力于将一氧化碳和HC氧化（成二氧化碳和水）和将NO_X还原（成氮气和水）。

随时间平均为空气/燃料的化学计量质量比的空气和燃料的混合物的燃烧通常产生含有不想要的气体排放物的所需平衡的低氧含量排气流。存在相对较低但并非无意义量的一氧化碳和HC，并与其它燃料衍生化合物（即氢）一起提供用于NO_X转化的还原活性。另一方面，所存在的低量氧足以为一氧化碳和HC氧化提供氧化活性（与NO_X一起），但不足以降低这些化合物的还原活性。处理这种排气流的长期实践已为发动机配备包括催化转化器的排气后处理系统。该催化转化器包括负载TWC的载体基底以促进排气流和TWC之间的密切接触。排气流中还原剂（CO、HC、H₂）和氧化剂（O₂、NO_X）的反应平衡允许TWC经由各种偶联催化反应同时还原NO_X和氧化一氧化碳和HC。负载TWC的载体基底的公知实例是由不锈钢或堇青石制成的整块（monolithic）蜂窝结构并用氧化铝以及铂、钯和铑的铂族金属细粒混合物（TWC）洗涂（washcoated）。

化学计量燃烧的发动机的专用和常用的排气后处理系统是使用两个隔开的催化转化器的分裂转化器构造。第一催化转化器安装到发动机舱附近的发动机排气歧管上（紧耦合（close-coupled）位置），第二催化转化器位于第一催化转化器下游和车辆下方（地板下位置(under-floor position)）。紧耦合催化转化器立即从发动机接收排气流，这在冷启动过程中有助于将TWC快速加热至其点火温度。地板下催化转化器在已预热状况的过程中补充紧耦合催化转化器的催化活性并特别适合还原在空气/燃料混合物中发生空气/燃料质量比波动时漏过的NO_X。该分裂转化器构造除提供增强的排放控制外，在与仅使用单紧耦合催化转化器的系统设计相比时，还通常需要更少的总铑含量即可实现有效NO_X转化。

但是，低氧含量排气流中存在的一些还原剂在紧耦合催化转化器中的TWC上与NO_X反应以被动生成氨。催化剂表面的详细反应化学相当复杂。但是，通常，缺氧能使NO参与与一氧化碳和/或氢的二次替代反应以根据总反应方程式形成氨：